“華龍一號”ZH-65型蒸汽發(fā)生器研發(fā)

張富源,吳 琳,何戈寧,黃 偉,何勁松,李 磊

(中國核動力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 610041)

蒸汽發(fā)生器是核電廠最重要的設(shè)備之一,其主要功能是把反應(yīng)堆冷卻劑從堆芯帶出的熱量通過SG的U形傳熱管傳遞給二次側(cè)的給水,產(chǎn)生合格品質(zhì)的飽和蒸汽供發(fā)電;在停堆過程中或某些事故工況時(shí)帶出堆芯衰變余熱;防止放射性物質(zhì)從一回路泄漏到二回路。因此,SG是反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的核安全一級主設(shè)備。

在2010年前,國內(nèi)大、中型壓水堆核電廠的SG,如大亞灣核電站、嶺澳核電站的55/19B型SG、秦山二期 (包括秦山2期擴(kuò)建、昌江)核電廠的60F型SG等,都是由外國公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的。2007年開始的國內(nèi)自主設(shè)計(jì)的二代加改進(jìn)型M310機(jī)組核電廠 (如紅沿河、寧德、陽江、方家山、福清1～4號機(jī)組)的改進(jìn)型55/19B型SG,雖由我院自主設(shè)計(jì),但無完全的自主知識產(chǎn)權(quán),不具備出口條件。

“華龍一號”是我國自主研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代壓水堆核電技術(shù),是用于實(shí)施國家核電走出國門戰(zhàn)略的核電自主品牌。“華龍一號”要走出國門,就必須攻克SG自主知識產(chǎn)權(quán)的難關(guān)。

1 設(shè)計(jì)技術(shù)研究

1.1 研發(fā)目標(biāo)

完成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電蒸汽發(fā)生器自主研發(fā)。研發(fā)的蒸汽發(fā)生器應(yīng)可用于 “華龍一號”工程項(xiàng)目,并應(yīng)具備對外技術(shù)轉(zhuǎn)讓的條件。

1.2 總體設(shè)計(jì)研發(fā)思路

ZH-65型SG采用成熟技術(shù),在國內(nèi)已有蒸汽發(fā)生器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

重點(diǎn)追求設(shè)計(jì)、制造技術(shù)上的成熟性、安全性、可靠性、工程實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性,技術(shù)上達(dá)到第三代壓水堆核電站SG的水平。

對關(guān)鍵部件以及蒸汽發(fā)生器總體熱工水力性能,均進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

具有自主知識產(chǎn)權(quán),具備出口及設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓條件。

1.3 設(shè)計(jì)規(guī)范

按2007版RCC-M[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)。SG的一次側(cè) (構(gòu)成反應(yīng)堆冷卻劑壓力邊界的)和二次側(cè)承壓邊界的設(shè)計(jì)規(guī)范等級均為1級。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZH-65型SG為立式U形管自然循環(huán)式蒸汽發(fā)生器。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由兩大部分組成。第一部分為換熱部件,主要包括一次側(cè)水室、管板、傳熱管管束及、承壓殼體等。第二部分為在上部內(nèi)置的汽水分離裝置部件,主要包括汽水分離器和干燥器等。

反應(yīng)堆冷卻劑由進(jìn)口接管進(jìn)入下封頭進(jìn)口腔室并進(jìn)入U(xiǎn)形傳熱管,換熱后返回下封頭出口腔室,經(jīng)出口接管流出SG。二次側(cè)的給水由管束上方的給水接管進(jìn)入SG,依靠自然循環(huán),給水和再循環(huán)水沿管束套筒由下筒體的環(huán)形下降通道向下流動,在管板二次側(cè)表面附近進(jìn)入傳熱管束區(qū),并沿管束向上流動。在管束區(qū),二次側(cè)流體被加熱,產(chǎn)生的汽水混合物沿管束上升進(jìn)入旋葉式汽水分離器,最后經(jīng)干燥器分離后蒸汽流出SG,分離出的水作為再循環(huán)水再次進(jìn)入下降通道。

圖1 ZH-65型SG結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of ZH-65 SG

1.5 材料

U形傳熱管材料為耐腐蝕性能等優(yōu)良的鎳-鉻-鐵合金 (簡寫為I-690TT)無縫鋼管。材料標(biāo)準(zhǔn)為M 4105。

管板和其他承壓件材料為錳-鎳-鉬合金鋼(18 MND5)。

內(nèi)件材料的設(shè)計(jì)均采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) (GB標(biāo)準(zhǔn)或NB標(biāo)準(zhǔn))牌號。

1.6 熱工水力設(shè)計(jì)

采用自主研發(fā)的設(shè)計(jì)軟件 (見本文第3章)進(jìn)行SG的熱工水力設(shè)計(jì)。

1.7 應(yīng)力分析

按照RCC-M規(guī)范要求進(jìn)行應(yīng)力分析和評價(jià)。

1.8 主要技術(shù)參數(shù)

ZH-65型SG的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)、主要技術(shù)指標(biāo)及與55/19B型SG的比較見表1和表2。

表1 SG結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameter of SG

續(xù)表

表2 SG主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical parameters of SG

可見,與二代加百萬千瓦級55/19B型SG相比,自主研發(fā)的ZH-65型SG具有更高的熱負(fù)荷,更大的蒸汽產(chǎn)量,更高的出口蒸汽壓力,更好的抗震性能,以及更長的設(shè)計(jì)壽命。

ZH-65型SG與國外三代核電某型SG性能參數(shù)比較見表3。可見,ZH-65型SG在汽水分離裝置出口蒸汽濕度、蒸汽壓力、功率重量比、設(shè)計(jì)壽命等主要參數(shù)指標(biāo)上達(dá)到或超過了國外三代核電蒸汽發(fā)生器的水平。

表3 主要性能參數(shù)對比Table 3 Comparison of main perfor mance parameters

2 設(shè)計(jì)軟件研發(fā)

在ZH-65型SG的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中,自主研發(fā)了SG相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)所需的全套 (包括10個(gè)軟件,見表4)計(jì)算分析軟件,已獲得7項(xiàng)軟件著作權(quán)授權(quán)。完全具備了設(shè)計(jì)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的條件。

表4 SG計(jì)算分析軟件包Table 4 Software package for calculation and analysis of SG

3 主要設(shè)計(jì)改進(jìn)與設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 主要設(shè)計(jì)改進(jìn)

ZH-65型SG采用較小直徑傳熱管、并采用三角形布管,在相對于55/19B型SG下部筒體直徑基本不變的條件下、使總傳熱面積增大了近20%,結(jié)構(gòu)更緊湊。

管子支承板 (TSP)的管孔采用完全自主設(shè)計(jì)的三葉梅花形管孔 (見圖2),流動阻力較小、腐蝕產(chǎn)物不易聚積;加強(qiáng)了傳熱管U形彎曲段的管子支撐,能防止或緩解在汽水兩相流橫向沖擊作用下產(chǎn)生微振磨損,提高傳熱管的使用可靠性、進(jìn)而提高SG的使用壽命。

圖2 新設(shè)計(jì)的TSP三葉梅花形管孔結(jié)構(gòu)Fig.2 Newly designed plu m blosso m shape tube hole structure of TSP

管束彎管段布置了4組 (55/19B型SG布置3組防振條)自主設(shè)計(jì)的防振條,可以有效防止傳熱管產(chǎn)生流致振動的風(fēng)險(xiǎn)。

旋葉式汽水分離器在國內(nèi)有成熟使用經(jīng)驗(yàn)、有良好運(yùn)行記錄的汽水分離器上進(jìn)行了改進(jìn)。采用自主設(shè)計(jì)的雙鉤型波形板干燥器,使汽水分離性能有了較大的提升。

3.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)

對上述重要設(shè)計(jì)改進(jìn)以及蒸汽發(fā)生器總體性能進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn),這些試驗(yàn)均是大型熱工水力試驗(yàn),包括:

1)管子支承板水力特性試驗(yàn);

2)傳熱管束流致振動試驗(yàn);

3)汽水分離裝置試驗(yàn);

4)綜合性能試驗(yàn);

5)其他試驗(yàn)。

目前,設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)已經(jīng)全部完成,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了ZH-65型設(shè)計(jì)的合理性,性能完全滿足設(shè)計(jì)要求。綜合性能實(shí)驗(yàn)臺架如圖3所示。

圖3 綜合性能試驗(yàn)臺架Fig.3 Co mprehensive perfor mance test rig

4 關(guān)鍵材料及零部件研制

4.1 ?17.48鎳-鉻-鐵合金傳熱管研制

U形傳熱管是蒸汽發(fā)生器最關(guān)鍵的零部件之一,但之前第三代核電SG傳熱管均依賴進(jìn)口。為了實(shí)現(xiàn)ZH-65型蒸汽發(fā)生器鎳基690合金U形傳熱管的國產(chǎn)化,解決出口蒸汽發(fā)生器的傳熱管從國外采購受限的問題,與國內(nèi)制造廠聯(lián)合開展?17.48 mm×1.02 mm規(guī)格的690合金U形傳熱管研制,并通過研制成果鑒定。鑒定意見認(rèn)為,研制管技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國外同類管材先進(jìn)水平,部分性能優(yōu)于國外水平。目前,研制件已應(yīng)用于 “華龍一號”工程項(xiàng)目。

4.2 SG大型承壓鍛件研制

ZH-65型SG合理的提高了對承壓邊界大鍛件的部分技術(shù)要求,如提高斷裂韌性要求值等。協(xié)助國內(nèi)制造廠掌握并固化ZH-65型SG大鍛件的制造工藝,實(shí)現(xiàn)ZH-65型SG大鍛件的國產(chǎn)化,解決了出口蒸汽發(fā)生器大鍛件從國外采購受限的問題。目前,研制件已應(yīng)用于 “華龍一號”工程項(xiàng)目。

4.3 膨脹石墨密封墊片研制

膨脹石墨密封墊片是目前國內(nèi)外蒸汽發(fā)生器人孔等廣泛使用的密封性能較先進(jìn)的新型密封墊片,但之前還依賴進(jìn)口。為解決國產(chǎn)化問題,與國內(nèi)制造廠完成了膨脹石墨密封墊片聯(lián)合研制工作并完成了成果鑒定。目前,研制件已應(yīng)用于“華龍一號”工程項(xiàng)目。

4.4 金屬保溫層研制

目前國內(nèi),在運(yùn)行壓水堆核電站的蒸汽發(fā)生器均采用傳統(tǒng)的石棉纖維保溫層。ZH-65型蒸汽發(fā)生器采用自主設(shè)計(jì)的、較先進(jìn)的不銹鋼金屬保溫層。為解決國產(chǎn)化問題,與國內(nèi)有關(guān)制造廠完成了蒸汽發(fā)生器用金屬保溫層聯(lián)合研制工作并完成了成果鑒定。目前,研制件已應(yīng)用于 “華龍一號”工程項(xiàng)目。

4.5 核級螺紋襯套研制

螺紋襯套是核承壓設(shè)備檢修用的一個(gè)必備的關(guān)鍵零件。其技術(shù)要求高、制造技術(shù)難度大。目前國內(nèi)核設(shè)備制造廠、核電廠檢修核設(shè)備用的螺紋襯套主要從國外采購。為了實(shí)現(xiàn)螺紋襯套設(shè)計(jì)自主化、制造本地化,同時(shí)解決我國核設(shè)備出口受限問題,與國內(nèi)制造廠共同完成了螺紋襯套研制工作,并已通過成果鑒定。

5 主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

與55/19B型SG相比,ZH-65型SG的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下:

1)采用了較小外直徑 (?17.48 mm)的U形傳熱管,可在相同外形尺寸下增大SG傳熱面積、使結(jié)構(gòu)更緊湊。

2)適當(dāng)提高了對傳熱管的技術(shù)要求,如提高傳熱管的內(nèi)渦流檢測信噪比驗(yàn)收指標(biāo)以提高傳熱管的在役可檢測性。傳熱管名義壁厚值減小約4%(從1.09 mm減小到1.02 mm),在其他條件相同時(shí),可提高傳熱管的使用可靠性。從而可提高SG的使用壽命。

3)管子支承板采用自主設(shè)計(jì)的三葉梅花形管孔新結(jié)構(gòu)。使腐蝕產(chǎn)物更不易在該部位聚積。試驗(yàn)證明[2],該設(shè)計(jì)局部流動阻力較小。

4)加強(qiáng)了傳熱管U形彎曲段的管子支承,提高了防振條加工和安裝技術(shù)要求,以防止或緩解由流致振動造成的傳熱管降質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

5)對旋葉式汽水分離器上進(jìn)行了改進(jìn),干燥器采用自主設(shè)計(jì)的雙鉤型波形板干燥器。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)能滿足出口蒸汽濕度的設(shè)計(jì)要求。

6)提高了抗震設(shè)計(jì)載荷要求 (0.3g)。

7)對SG內(nèi)部給水裝置進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了傾斜向上的給水母管、改進(jìn)了給水環(huán)支承結(jié)構(gòu)。能有效避免水錘、熱分層等不利現(xiàn)象的發(fā)生。

8)在頂部管子支承板高度位置增設(shè)了檢查孔。一次側(cè)人孔、二次側(cè)的人孔、手孔和檢查孔采用密封性能更可靠的自主研制的石墨密封墊片。

9)采取多方面的措施提高了SG的固有可靠性、滿足60年使用壽命要求。

6 主要研發(fā)成果與應(yīng)用

6.1 研發(fā)成果

ZH-65型SG的主要研發(fā)成果如下:

1)全套詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙,設(shè)備制造廠制造、檢驗(yàn)和試驗(yàn)相關(guān)的主要技術(shù)文件;

2)SG設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告 (強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算、熱工水力計(jì)算、應(yīng)力分析);

3)完成了配套的SG設(shè)計(jì)用計(jì)算分析軟件。獲得7項(xiàng)軟件著作權(quán)授權(quán);

4)建成了4臺/套大型SG實(shí)驗(yàn)研究裝置,進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證所需的驗(yàn)證試驗(yàn),完成了相關(guān)試驗(yàn)研究報(bào)告;

5)完成了U形傳熱管、大型鍛件、膨脹石墨墊片、金屬保溫層等研制件的研制總結(jié)報(bào)告、成果鑒定報(bào)告,制造了研制件樣件;

6)技術(shù)專利。

獲得7項(xiàng)發(fā)明專利,3項(xiàng)實(shí)用新型專利授權(quán)。2016年,發(fā)明專利 “一種蒸汽發(fā)生器傳熱管直管段支承板”,獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。

6.2 應(yīng)用情況

2012年12 月,東方電氣 (廣州)重型機(jī)器有限公司簽訂了福清5、6號共6臺ZH-65型SG制造合同,并于2014年8月28日,開工制造。

2013年8 月,哈電集團(tuán) (秦皇島)重型裝備有限公司簽訂了出口巴基斯坦的K2/K3核電機(jī)組共6臺ZH-65型SG制造合同,并于2014年8月開工制造。

2017年7 ,K2核電工程項(xiàng)目的3臺ZH-65型SG驗(yàn)收合格并發(fā)往巴基斯坦。

7 結(jié)束語

ZH-65型SG的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。該型SG的設(shè)計(jì)在技術(shù)上達(dá)到第三代PWR核電站SG的水平,且具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。該型SG的成功研發(fā)突破了SG設(shè)計(jì)的技術(shù)瓶頸,是對 “華龍一號”技術(shù)走出國門的有力支持,將創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會效益。

[1]壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則:RCC-M[S]．2007．

[2]熊挺,文博.蒸汽發(fā)生器管子支承板水力特性試驗(yàn)研究 [C]．中國核能行業(yè)協(xié)會.2013年首屆核電廠蒸汽發(fā)生器技術(shù)研討會論文集,2013．